玻璃等離子表面清洗處理對其親水性能的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-04-28

低溫等離子體中的粒子具有較高的速度，在對材料表面進行改性過程中，低溫等離子體中的粒子會與材料表面發(fā)生碰撞，與材料表面發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，改變材料的表面性能。

本文采用氧氣低溫等離子體對玻璃表面進行表面改性處理，采用接觸角測試、XPS測試、掃描電鏡測試方法來表征經(jīng)氧氣等離子體改性前后玻璃的表面特性及微觀形貌。本次實驗采用的是本公司生產(chǎn)制造的NE-PE05等離子清洗機，所用的工藝氣體為氧氣，實驗結(jié)果及分析如下。

接觸角測試結(jié)果分析

圖1-1為玻璃在氧氣低溫等離子體表面改性前后的接觸角對比圖，等離子體改性時間分別是1min、3min、5min。其中，本試驗中的接觸角值均由接觸角測定儀自動計算得到。從圖1-1可知，未改性處理玻璃表面的接觸角最大，其值為21.1°。玻璃表面經(jīng)過低溫等離子體表面改性后，接觸角明顯降低，表面潤濕性提高。當(dāng)玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min后，接觸角為2.6°，如圖1-1(b)所示，表面接觸角降低了87.7%，表明經(jīng)過氧氣低溫等離子體改性后玻璃表面潤濕性得到大幅度提高。這是因為在等離子體改性過程中，高能量的粒子沖擊玻璃表面，使材料表面部分化學(xué)鍵斷裂，在玻璃表面生成許多自由基，而氧氣則與表層自由基反應(yīng)生成活性官能團，提高玻璃表面能，潤濕性提高。

圖 1-1 玻璃在氧氣低溫等離子體表面改性前后的接觸角對比圖

為了更直觀地了解隨著改性時間的增加，玻璃表面接觸角的變化情況，作改性時間與玻璃表面接觸角的關(guān)系曲線如圖1-2所示。從圖中可以看出：低溫等離子體改性能降低玻璃表面接觸角，改善玻璃表面的潤濕性；在改性時間從1min到5min范圍內(nèi)，玻璃表面接觸角隨著改性時間的增加而緩慢增加，當(dāng)改性時間為1min時，水在玻璃表面的接觸角值最小，為2.6°，此時表面潤濕性最好。由此可知，玻璃表面的氧氣低溫等離子體改性的最佳時間為1min。對于隨著改性時間的增加，玻璃表面接觸角反而增大現(xiàn)象，其原因可能是等離子體的刻蝕作用。隨著低溫等離子體改性時間的進一步增加，玻璃表面因化學(xué)鍵斷裂而產(chǎn)生的低分子量物質(zhì)的概率增多，玻璃表面的刻蝕效果愈明顯，此時存在于刻蝕層以下的部分惰性官能團暴露出來成為新的表面層，導(dǎo)致玻璃的表面能降低，潤濕性變差，接觸角增大。

圖 1 -2 低溫等離子體處理時間對玻璃表面水接觸角的影響

XPS測試結(jié)果分析

XPS實驗測試可用來分析玻璃經(jīng)低溫等離子體改性后，玻璃表面元素的變化情況，圖1-3(a)、(b)分別為玻璃經(jīng)低溫等離子體改性前后表面元素的XPS全譜圖。XPS全譜圖結(jié)果顯示，未低溫等離子體改性的玻璃表面檢測到O1s、C1s、Si2p、Au4f等信號，表明該表面含有O、C、Si、Au元素。玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min后，表面的元素含有O、C和Si元素。

圖 1 -3 低溫等離子體改性前后玻璃表面的 XPS 全譜圖

通過玻璃表面的XPS實驗測試，可以獲得未處理和在功率100W、處理時間1min條件下低溫等離子體改性處理后的玻璃表面的元素相對含量，表1-1為低溫等離子體改性前后玻璃表面元素的相對含量結(jié)果。從表中可以看出，經(jīng)過低溫等離子體改性后，玻璃表面的氧元素相對含量增加，碳元素的相對含量明顯降低，且O/C的比值從1.05增大到33.63，增大了32倍左右。該現(xiàn)象發(fā)生的原因是，本次低溫等離子體改性設(shè)備采用的氣體是氧氣，所以改性后玻璃表面的氧含量增加，形成更多的含氧官能團；等離子體對材料表面具有清潔作用，能除去表面的含碳雜質(zhì)，使改性后玻璃表面碳元素含量降低。

表1-1 低溫等離子體改性前后玻璃表面元素相對含量分析（ Atomic %）

表面微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1-4展示了玻璃在低溫等離子體改性前后的表面形貌。根據(jù)掃描電鏡結(jié)果觀察可知，在放大1000倍的條件下，玻璃經(jīng)低溫等離子體改性1min、3min、5min后，玻璃表面比較平整，如圖1-4(b)、(c)、(d)。與原始玻璃表面形貌相比較，表面形態(tài)幾乎沒有發(fā)生改變，這表明，經(jīng)過低溫等離子體改性后，玻璃表面形貌沒有發(fā)生明顯的破壞改變。

圖1 -4 玻璃在低溫等離子體改性前后的表面形貌

實驗總結(jié)

利用接觸角測試、XPS測試、掃描電鏡等實驗手段來研究氧氣低溫等離子體改性方法對玻璃表面性質(zhì)的影響，其主要結(jié)論如下：
（1）氧氣低溫等離子體改性方法能提高玻璃表面的潤濕性，且隨著改性時間的增加，玻璃表面接觸角呈先降低后增大的變化趨勢。
（2）經(jīng)氧氣低溫等離子體改性后，玻璃表面氧元素相對含量增加，表面的含碳雜質(zhì)減少。
（3）經(jīng)過表面形貌觀察，發(fā)現(xiàn)玻璃表面形貌比較平整，低溫等離子體改性不會破壞玻璃表面形貌。